1950年3月，新中国刚刚成立，满目疮痍，百废待兴，急需人才建设国家。朱光亚，这位年仅26岁的留美博士、青年科学家，面对共和国的召唤，激情难抑，他牵头组织51名留美同学联名发表“给留美同学的一封公开信”，宣传爱国思想，动员回国工作。
公开信中诚挚地说：“同学们，是我们回国参加祖国建设工作的时候了。祖国的建设急迫地需要我们……我们都是靠千千万万终日劳动的中国工农大众的血汗供养长大的。现在他们渴望我们，我们还不该赶快回去，把自己的一技之长，献给祖国的人民吗?……同学们，祖国在召唤我们，我们还犹豫什么?彷徨什么?我们已经站起来了，回去吧，赶快回去吧!祖国在迫切地等待我们!”
这封激情洋溢的信发表后，在当时海外中国留学生和学者中引起了强烈的反响。如今，一个甲子多的岁月过去了，当年这一封信，依然传递着一位年轻科学家澎湃激昂的爱国情愫。正是受朱光亚等人的影响，一大批海外留学的莘莘学子和年轻的科学家在政府的精心安排和帮助下回到祖国怀抱，其中，许多人后来成为中国“两弹一星”事业的奠基者和带头人。
1950年，朱光亚毅然回到祖国，在东北人民大学(现吉林大学)物理系任教，为此后的国防科技事业尤其是“两弹一星”研制培养了大批人才。
1955年，党中央作出发展原子能工业的战略决策。朱光亚奉调参与筹建北京大学物理研究室，担负起尽快为我国原子能科学技术事业培养专门人才的重任。次年9月，朱光亚又调任中国科学院物理研究所中子物理研究室副主任，在所长钱三强的领导下，带领年轻人从事中子物理和反应堆物理研究。这其间，他领导设计、建成了轻水零功率装置并开展堆物理试验，为掌握研究性重水堆物理实验技术做了开创性工作，跨出了我国自行设计、建造核反应堆的第一步。
1959年，35岁的朱光亚临危受命，担任起中国核武器研制的科学技术领导人，为开创中国的核武器事业做了大量艰苦细致的基础工作。
1962年，我国原子弹的理论设计、爆轰试验、中子源研制均取得了重大进展。但当时正值三年困难时期，国内对原子弹研制项目是否“下马”出现了争论。9月，当时的二机部部长刘杰与李觉、吴际霖、朱光亚等人向中央提出两年内进行我国第一颗原子弹装置爆炸试验，并先后快速完成了原子弹试验的一系列理论研究、提出了核爆炸试验“两步走”的正确计划。11月3日，毛泽东对“两年规划”作出重要批示：“很好，照办。要大力协同做好这件工作。”随后中央召开会议，研究落实“两年规划”，周恩来在会上拉着朱光亚的手说：“请你回去告诉研究所的同志们，主席和中央领导同志很感谢你们!人民感谢你们!你们要不懈地努力!”
1964年10月16日，我国第一颗原子弹爆炸成功!试验结果表明：我国第一颗原子弹从理论、结构、设计、制造到引爆控制系统、测试技术等均达到相当高的水平。
朱光亚望着腾空跃起的蘑菇云，不禁潸然泪下。当晚，作风严谨的朱光亚开怀畅饮。生平第一次也是唯一一次，他喝醉了。
1963年，按照朱光亚等人建议，有关方面把地下核试验作为设计项目的架构，1967年10月底至11月中旬，在国防科委领导下，地下核试验准备工作全面展开，经过近两年的艰苦工作，攻克了大量技术难关。
根据毛泽东“原子弹要有，氢弹也要快”的指示，朱光亚和同事们加快了研制速度。1967年6月17日，我国第一颗氢弹爆炸成功，强烈的冲击波又一次震撼了世界……
1969年9月23日，在朱光亚等人的指挥下，我国首次地下平洞核试验取得圆满成功。1975年10月和1976年10月，朱光亚参与组织领导了我国第二次、第三次地下平洞核试验。1978年10月，朱光亚又成功组织首次地下竖井核试验。
1991年5月，朱光亚被选为中国科协第四届全国委员会主席，领航中国科技界。1996年10月，朱光亚获得“何梁何利科学技术成就奖”，奖金为100万元港币。他分文未动，把全部奖金捐给中国工程科技奖励基金。1997年，又将积攒的4万余元稿费捐给了中国科学技术发展基金会。
“我们不能两眼不看世界风云，只顾埋头搞武器研究。”朱光亚说。从20世纪80年代开始，朱光亚在国防科技领域，除继续指导核武器和核试验技术研究发展工作外，还指导了潜艇核动力、核材料技术的研究发展，指导了国防科技与武器装备发展战略研究、武器装备预先研究、国防关键技术报告制定、国家安全重大基础研究等重大工作，提出了许多战略性、前瞻性和创新性的重要思想和建议，为迎接世界新军事变革的挑战，实现我国国防科技和武器装备的跨越式发展作出了重大贡献。同时，按照组织上的安排，他还积极参与了国防高科技向民用转移、为国家经济建设服务，以及“军民结合”发展我国高技术等方面的组织领导工作，特别是在我国核电技术发展、放射性同位素应用开发和“863”计划制定与实施方面发挥了重要作用。
1999年，朱光亚获中共中央、国务院、中央军委颁发的“两弹一星”功勋奖章。2004年12月，国际编号10388小行星正式命名为“朱光亚星”。
“我一辈子主要就做了一件事。”朱光亚说。从22岁赴美国考察原子弹，到35岁成为我国核武器研制的领军人物;从见证我国第一颗原子弹、氢弹的爆炸，到全面领导和组织我国国防科技发展战略研究，朱光亚的一生与中国核事业的发展紧紧联系在一起。半个世纪以来，他始终处于我国核武器发展科技决策的高层。在核武器技术发展的每一个关键时刻，都凝聚了他的智慧和决心。无论是发展方向的抉择，还是核武器研制和核试验关键技术问题的决策，他都起到了主导作用，并作出了卓越贡献。
